一種光纖efpi次聲波傳感器及次聲信號探測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于次聲波探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖EFPI次聲波傳感器及次聲信號探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度的次聲波探測在自然災(zāi)害預(yù)警和石油勘探領(lǐng)域中十分重要。
[0003]最常用的次聲波探測手段是使用電容式或壓電式次聲傳聲器。其中，電容式次聲傳聲器具有靈敏度高、體積小、輸出信號強等優(yōu)點，是目前最普遍的次聲傳聲器，也是國際次聲監(jiān)測站所采用的類型(例如法國的MB2000系列次聲傳感器)；壓電式次聲傳聲器具有動態(tài)特性好、耐高溫等優(yōu)點，目前國際國內(nèi)商用化產(chǎn)品和科研單位研究的多是這種類型(例如2005年，美國F.Douglas Shields提出的壓電式低頻麥克風(fēng))。但是，以上兩種傳統(tǒng)類型的電學(xué)次聲傳感器不可避免地存在易受電磁干擾、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等缺陷。
[0004]近些年來，基于光纖技術(shù)的新型傳感設(shè)備由于其固有的抗電磁干擾特性以及尺寸小、成本低、穩(wěn)定性好且易于復(fù)用等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。光纖聲技術(shù)應(yīng)用于次聲傳感領(lǐng)域可大體概括為兩大方法:強度型光纖次聲傳感器和干涉型光纖次聲傳感器。
[0005]強度型光纖次聲傳感器直接解調(diào)輸出光強，簡單可靠，易于實現(xiàn)。例如2010年，蔣冰莉等人研制了一種反射光強度調(diào)制型微光機電系統(tǒng)(Micro Optical ElectroMechanical System, MOEMS)低頻聲傳感陣元。這種方法低頻響應(yīng)好，實現(xiàn)了 4?1000Hz范圍的聲波探測。但是這種方法的換能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易制作，且低頻信號靈敏度下降明顯。
[0006]干涉型光纖次聲傳感器可實現(xiàn)高精度的聲學(xué)檢測，適于微弱信號的測量，具有較好的發(fā)展前景。例如早在2003年，Mark A.Zumberge等人就報道了一種光纖式馬赫曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)次聲傳感器，其頻率響應(yīng)為I?1Hz，且信噪比極高，達到了新的噪聲極限。但是這種方案尺寸巨大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于實際工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種光纖非本征法布里-珀羅腔干涉型(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric, EFPI)次聲波傳感器及次聲信號探測系統(tǒng)，能探測I?20Hz的次聲波，且靈敏度高達121mV/Pa，系統(tǒng)的抗干擾能力強，易于長距離傳輸，且結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小巧，成本低廉。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種光纖EFPI次聲波傳感器，其特征在于，包括外套桶、內(nèi)套桶、光纖FC接頭和換能器；所述外套桶的桶底中心設(shè)有第一孔結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)套桶的外表面與所述外套桶的內(nèi)表面緊密貼合，使得所述內(nèi)套桶固定在所述外套桶內(nèi)，所述內(nèi)套桶的桶口與所述外套桶的桶底正對，所述內(nèi)套桶的桶底中心設(shè)有第二孔結(jié)構(gòu)；所述光纖FC接頭的陶瓷插芯穿過所述第二孔結(jié)構(gòu)，所述光纖FC接頭的尾纖穿過所述第一孔結(jié)構(gòu)，使得所述光纖FC接頭被固定在所述外套桶和所述內(nèi)套桶的中心軸上，用于光信號的輸入和輸出；所述換能器包括圓筒、聚合物薄膜和鋁膜；所述聚合物薄膜設(shè)置在所述圓筒的一端，所述圓筒的另一端通過匹配螺紋與所述外套桶的桶口連接；所述鋁膜粘貼在所述聚合物薄膜在所述光纖EFPI次聲波傳感器內(nèi)的一側(cè)的中心位置，不僅能大幅提高所述換能器的光學(xué)反射率，而且能使所述聚合物薄膜的中心振動保持平穩(wěn)。
[0009]優(yōu)選地，所述聚合物薄膜的厚度為40?60 μ m，直徑為24?25mm。
[0010]優(yōu)選地，所述招膜的厚度為2?4 μπι，直徑為3?5mm。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種次聲信號探測系統(tǒng)，其特征在于，包括激光光源、光纖環(huán)形器、光電轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)生采集模塊、處理器和如權(quán)利要求1?3中任一項所述的光纖EFPI次聲波傳感器；所述激光光源通過單模光纖連接所述光纖環(huán)形器的第一端口，所述光纖環(huán)形器的第二端口連接所述光纖EFPI次聲波傳感器，所述光纖環(huán)形器的第三端口通過所述光電轉(zhuǎn)換模塊連接所述發(fā)生采集模塊的輸入端，所述發(fā)生采集模塊的控制端連接所述處理器；工作時，所述激光光源發(fā)出的單波長激光通過所述光纖環(huán)形器到達所述光纖EFPI次聲波傳感器，被所述光纖EFPI次聲波傳感器反射后由所述光纖環(huán)形器到達所述光電轉(zhuǎn)換模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸出至所述發(fā)生采集模塊；存在次聲波信號擾動時，被所述光纖EFPI次聲波傳感器反射后輸入至所述光電轉(zhuǎn)換模塊的光信號發(fā)生變化，輸出至所述發(fā)生采集模塊的電信號發(fā)生同步變化，所述處理器實時處理所述發(fā)生采集模塊中的電信號，得到次聲波信號的頻率和幅值信息，完成次聲波的探測。
[0012]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0013]1、本發(fā)明與同類型的其他聲學(xué)探測方法相比，在換能器中采用聚合物薄膜，并對聚合物薄膜的厚度和直徑進行了優(yōu)化設(shè)計，使得傳感器能探測I?20Hz的次聲波，且靈敏度高達121mV/Pa。
[0014]2、在換能器的聚合物薄膜內(nèi)側(cè)中心粘貼鋁質(zhì)薄膜，并對鋁質(zhì)薄膜的厚度和直徑進行了優(yōu)化設(shè)計，不僅大幅提高了換能器的光學(xué)反射率，而且使聚合物薄膜的中心振動保持平穩(wěn)。
[0015]3、本發(fā)明與傳統(tǒng)的電學(xué)方法相比，系統(tǒng)的抗干擾能力強，易于長距離傳輸；與新型的光學(xué)探測方法相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小巧，成本低廉。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例的次聲信號探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明實施例的光纖EFPI次聲波傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明實施例的換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明實施例的次聲信號探測系統(tǒng)的測試結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-激光光源，2-光纖環(huán)形器，3-光纖EFPI次聲波傳感器，4-光電轉(zhuǎn)換模塊，5-標準傳聲器，6-高壓麥克風(fēng)校準器，7-發(fā)生采集模塊，8-處理器，9-外套桶，10-光纖FC接頭，11-內(nèi)套桶，12-換能器，13-圓筒，14-聚合物薄膜，15-鋁膜。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明實施例的次聲信號探測系統(tǒng)包括激光光源1、光纖環(huán)形器2、光纖EFPI次聲波傳感器3、光電